Tepelná energie, nazývaná takétepelná energienebo jednodušeteplo, je typvnitřníenergie, o které se říká, že objekt vlastní díky kinetické energii svých základních částic.
Samotná energie, i když je dostatečně matematicky definovatelná, patří mezi nepolapitelnější veličiny ve fyzice, pokud jde o to, co zásadněje. Existuje mnoho forem energie a je snazší definovat energii z hlediska limitů jejího aritmetického chování, než ji přesně formulovat.
Na rozdíl odpřekladovýneborotačníkinetická energie, která vzniká pohybem po určité lineární vzdálenosti nebo v kruhu (a může k nim dojít společně, jako u vrženého Frisbee), tepelná energie pochází z pohybu velkého počtu drobných částic, pohybu, který lze považovat za vibraci kolem pevných bodů v prostor.
V průměru se každá částice nachází na konkrétním místě v rozšířeném systému, jak putuje zběsile o tomto bodě, i když v žádném okamžiku není částice statisticky pravděpodobná našel tam. Je to spíše jako průměrná poloha Země v čase, kdy je blízko středu Slunce, i když k tomuto uspořádání (naštěstí!) Nikdy nedojde.
Kdykoli dojde ke kontaktu dvou materiálů, včetně vzduchu,třenívýsledky a část celkové energie systému - která, jak uvidíte, musí vždy zůstat konstantní - se transformuje na tepelnou energii.
Objekt a jeho okolí zaznamenají nárůstteplota, který jekvantifikovatelný projev tepelné energie a přenosu tepla, měřeno ve stupních Celsia (° C), ve stupních Fahrenheita (° F) nebo v Kelvinech (K). Když předměty ztrácejí teplo, klesají na nižší teplotu.
Co je to energie?
Energie přichází v různých formách i v různých jednotkách, nejběžnější jejoule (J), pojmenovaný pro Jamese Prescotta Joule. Samotný joule má jednotky síly krát vzdálenost nebo newtonmetry (N⋅m). Podstatnější je, že jednotky energie jsou kg⋅m2/ s2.
Jeden koncept úzce spojený s energií jepráce, který má jednotkyzenergie, ale není na ni pohlíženotak jakoenergie fyziky. Lze říci, že práce je „odvedena“ aSystémpřidáním energie do ní, což má za následek fyzickou změnu systému (např. pohybuje pístem nebo otáčí magnetickou cívkou - to znamená dělá užitečnou práci). Systém je jakékoli fyzické uspořádání s jasně definovanými hranicemi, kterým může být i Země jako celek.
Kromě tepelné energie (obvykle psané Q) a kinetické energie („normální“ lineární nebo rotační druh) zahrnují další druhy energiepotenciální energie, mechanická energieaelektrická energie. Kritickým aspektem energie je, že bez ohledu na to, jak se v jakémkoli systému objevuje, vždy jekonzervovaný.
Tepelná energie: nejméně užitečná forma energie
Když dochází k přenosu tepelné energie do prostředí (tj. „Rozptýlí se“ nebo „se ztratí“), z Samozřejmě žádná energie není ve skutečnosti jakýmkoli způsobem zničena, protože by to porušilo zachování energie.
Toto teplo však nelze úplně znovu zachytit a znovu použít, a proto se mu říká méně užitečná forma energie. Kdykoli v zimě projdete větracím otvorem budovy nebo země a vytéká nekonečný mrak páry nebo teplého vzduchu, je to jasný příklad tepelné energie, která je „zbytečnou“ energií. Na druhou stranu atepelný motorstejně jako v automobilech na benzín využívá tepelnou energii k mechanické energii.
Tepelná energie a teplota
Teplota objektu nebo systému je mírouprůměrnýtranslační kinetická energie na molekulu tohoto objektu, zatímco tepelná energie je celková vnitřní energie systému. Když se částice pohybují, vždy existuje kinetická energie. Pohyb tepla směrem nahoru proti teplotnímu gradientu vyžaduje práci, jako je použití tepelných čerpadel.
Teplo a každodenní svět
Tepelná energie se zde může jevit jako nepoctivá veličina, ale může být a je skvěle využívána při vaření a jiných sférách. Když trávíte jídlo, přeměňujete chemickou energii z vazeb v sacharidech, bílkovinách a tuku na teplo (obecně řečeno „kalorií“ místo joulů).
Třenígeneruje teplo, často ve spěchu. Pokud si rychle mnete ruce, rychle se zahřejí. Automatická zbraň vystřelí kulky z hlavně tak rychle, že se kov téměř okamžitě nebezpečně zahřeje na dotek.
Tepelná energie a úspora energie: Příklad
Zvažte mramor, který se válí uvnitř misky. „Systém“ zahrnuje také prostředí (tj. Zemi jako celek). Jak se pohybuje nahoru po straně, více jeho celkové energie se přeměňuje na gravitační potenciální energii; jak se zrychluje blízko dna, více této energie se transformuje na kinetickou energii. Pokud by to byl celý příběh, mramor by navždy chodil nahoru a dolů a s každým cyklem dosahoval stejných výšek a rychlostí.
Místo toho pokaždé, když se mramor zvedne po straně, stoupá o něco méně vysoko a jeho rychlost ve spodní části je o něco menší, dokud se mramor nakonec nezastaví ve spodní části. Je to proto, že po celou dobu, kdy se mramor valil, se převádělo stále více a více z „koláče“ o celkové energii na větší a větší "plátek" tepelné energie a rozptýlí se do prostředí, které již není použitelné mramor. Ve spodní části se veškerá energie systému „stala“ tepelnou energií.
Rovnice tepelné energie: Tepelná kapacita
Jednou z rovnic, se kterými se můžete setkat, je rovnicetepelná kapacita:
Q = mC \ Delta T
kdeQje tepelná energie v joulech,mje hmotnost ohřívaného předmětu,Cje objektměrné teplo kapacitaadelta Tje jeho změna teploty ve stupních Celsia. Specifická tepelná kapacita látky jemnožství energie potřebné ke zvýšení teploty 1 gramu této látky o 1 stupeň Celsia.
Vyšší tepelné kapacity tedy znamenají větší odolnost vůči změně teploty pro danou hmotnost látky a větší hmotnost sama o sobě znamená vyšší tepelnou kapacitu. To dává intuitivní smysl; pokud jste vystavili 10 ml vody „vysoké“ v mikrovlnné troubě po dobu jedné minuty, změna teploty bude daleko větší, než kdybyste ohřáli 1 000 ml vody počínaje stejnou teplotou po stejnou dobu.
Zákony termodynamiky
Termodynamika je studium interakce práce, tepla a vnitřní energie v systému. Důležité je, že jde pouze o rozsáhlá pozorování, která lze měřit; kinetická teorie plynů se zabývá interakcemi na vibrační úrovni.
První zákon termodynamikyuvádí, že změny vnitřní energie lze zohlednit tepelnými ztrátami: ΔE = Q - W, kdeΔEje změna vnitřní energie (Δ je řecké písmeno „delta“ a znamená zde „rozdíl“),Qje množství přenesené tepelné energiedosystém aŽje práce hotovápodlesystém na okolí.
Druhý zákon termodynamikyuvádí, že kdykoli je práce provedena, částkaentropiev atmosféře se zvyšuje. Tok tepelné energie tedy neustále způsobuje zvyšování entropie.
- Entropie (S) je stavová proměnná, termodynamická vlastnost systému, která volně znamená „porucha“, a její pohyb lze vyjádřit jako
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Třetí zákon termodynamikyuvádí, že entropieSsystému se blíží konstantní hodnotě jako teplotaTblíží seabsolutní nula(0 K nebo -273 ° C).
Když má jeden objekt vyšší teplotu než blízký objekt, zvýhodňuje tento teplotní rozdíl přenos energie ve formě tepla do chladnějšího objektu.
Existují tři základní způsoby, jak zajistit přenos tepla z jednoho objektu do druhého:Vedení(přímý kontakt),proudění(pohyb kapalinou nebo plynem) a tepelnýzáření(pohyb vesmírem).